Σύστημα προεγχειρητικού σχεδιασμού χειρουργικής ογκολογίας ήπατος προσανατολισμένο για χρήση από χειρουργούς

Abstract

The liver is an organ where benign or malignant tumors can develop, either primary or, more frequently, metastatic. For a significant number of liver tumors, hepatectomy is the treatment of choice. The primary goal of all oncological surgical interventions on the liver is to remove the tumor with negative resection margins (R0 resection) while leaving behind a functional liver remnant (Future Liver Remnant - FLR) of sufficient size to prevent postoperative liver failure. Modern liver surgery leverages the capabilities provided by computer technology to gather as much preoperative information as possible for planning the intervention and to use this data intraoperatively to optimize and enhance the safety of the procedure. Detailed preoperative study is key to the proper selection of patients. The segmentation of anatomical structures produces personalized 3D models that can be modified, managed, and displayed in various ways, making surgical analysis easier by allowing rapid volumetric assessment and simulation of hepatectomies. It has been shown that liver segmentation from medical images is the superior method for preoperative planning and intraoperative guidance in liver surgery. However, liver segmentation is a time-consuming and complex process. A modern liver surgeon would greatly benefit from an application that allows them to use medical imaging CDs/DVDs brought by their patients to easily, quickly, and reliably perform preoperative planning on their personal computer. Taking the above into account, we designed and developed liver segmentation algorithms as well as a comprehensive system for preoperative planning and intraoperative guidance tailored to the philosophy of liver surgeons. This system is called "Pre-Operative Mapping and Evaluation of Tumors for Hepatic surgery and Enhanced Intra-operative Assistance" (PROMETHEIA®). The development and evaluation of our software took place in a MATLAB® environment (The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, U.S.A) on a 2010 home-use laptop computer (Intel® CoreTMDuo, 2.2 GHz, NVIDIA® Graphics, 4GB Memory, Microsoft Windows® 7 64bits).PROMETHEIA was used for the segmentation of anatomical and pathological structures, the preoperative planning of hepatectomies, and intraoperative guidance. We developed specialized tools and algorithms enabling hybrid semi-automatic segmentation and hybrid interactive segmentation. Additionally, we created specialized tools for perioperative risk assessment. We evaluated the capability to perform computer-assisted oncological liver surgeries using PROMETHEIA in prospective clinical studies. The application enables comprehensive and complete preoperative planning, including segmentation of all structures of interest, volumetric analysis, virtual hepatectomy, and risk assessment. It also facilitates its full use in the operating room for intraoperative guidance and risk assessment, with the ability to add new data and easily reevaluate the surgical plan. The segmentation algorithms can be used by surgeons in daily clinical practice with ease and speed, as their parameterization is simple and their use is guided, providing repeatability and reliability. In our studies, surgical analysis in PROMETHEIA was effectively performed in all cases by specialized surgeons within a time frame that permits its use in daily clinical practice, delivering reliable volumetric results and topographical assessments, thus enabling safe surgical planning, perioperative risk assessment, and intraoperative guidance. Radiologists must collaborate with surgeons to provide their expertise and experience in analyzing imaging studies. Our system bridges the gap between overly detailed computer-assisted surgical analysis performed by specialized personnel with expensive software and hardware and the busy liver surgeons with limited knowledge of medical image processing techniques who seek quick, reliable, and cost-effective results while having sufficient expertise to evaluate them appropriately. Through our study, we were able to highlight techniques and tools that are useful for adequate segmentation of medical images in liver-related interventions. It appears that only a few tools are needed for volumetric analysis, but more specialized tools are required for a complete perioperative risk analysis. The research conducted within the framework of this dissertation contributes to the advancement of preoperative planning in oncological liver surgery in daily clinical practice, aiming for faster decision-making, shorter patient management times at a low cost, safer and more effective hepatectomies, and ultimately, the optimization of liver tumor management, thereby striving for patient cure. In conclusion, our application proves to be accurate and reliable in the preoperative planning of oncological liver surgery procedures while effectively enhancing perception and guidance from medical images during operations. However, the design results must always be carefully evaluated by specialized liver surgeons.

Το ήπαρ είναι ένα όργανο στο οποίο μπορούν να αναπτυχθούν καλοήθεις ή κακοήθεις όγκοι, πρωτοπαθείς αλλά και πολύ συχνά μεταστατικοί. Για σημαντικό αριθμό ηπατικών όγκων η ηπατεκτομή αποτελεί τη θεραπεία εκλογής. Ο βασικός στόχος όλων των χειρουργικών ογκολογικών επεμβάσεων στο ήπαρ είναι να αφαιρεθεί ο όγκος με αρνητικά όρια εκτομής (R0 επέμβαση) αφήνοντας πίσω ένα λειτουργικό υπόλειμμα ήπατος (Future Liver Remnant – FLR) με ικανό μέγεθος ώστε να μην αναπτύξει ο ασθενής μετεγχειρητικά ηπατική ανεπάρκεια. Η σύγχρονη χειρουργική ήπατος χρησιμοποιεί τις δυνατότητες που παρέχονται από την τεχνολογία των υπολογιστών ώστε να αντλήσει όσο το δυνατό περισσότερες πληροφορίες προεγχειρητικά για να καταστρώσει το επεμβατικό πλάνο αλλά και να χρησιμοποιήσει αυτά τα δεδομένα διεγχειρητικά για να βελτιστοποιήσει και να κάνει ασφαλέστερη την επέμβαση. Η λεπτομερής προεγχειρητική μελέτη είναι το κλειδί για τη σωστή επιλογή των ασθενών. Η κατάτμηση (Segmentation) των ανατομικών δομών παράγει εξατομικευμένα 3D μοντέλα τα οποία μπορούν να τροποποιηθούν, διαχειριστούν και απεικονιστούν με ποικίλους τρόπους, ενώ η χειρουργική ανάλυση είναι ευκολότερη επιτρέποντας γρήγορη ογκομέτρηση και εξομοίωση των ηπατεκτομών. Έχει αποδειχθεί ότι η κατάτμηση του ήπατος από ιατρικές εικόνες αποτελεί καλύτερη μέθοδο για τον προεγχειρητικό σχεδιασμό και τη διεγχειρητική καθοδήγηση στη χειρουργική ήπατος. Παρόλα αυτά, η κατάτμηση του ήπατος είναι χρονοβόρα και πολύπλοκη διαδικασία. Ένας σύγχρονος χειρουργός ήπατος είναι πολύ χρήσιμο να μπορεί να χρησιμοποιεί μια εφαρμογή που θα του προφέρει τη δυνατότητα χρησιμοποιώντας τα CD/DVD των ιατρικών απεικονίσεων όπως αυτά έχουν προσκομισθεί από τους ασθενείς του, να πραγματοποιήσει εύκολα, γρήγορα και αξιόπιστα στον προσωπικό του υπολογιστή προεγχειρητικό σχεδιασμό. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω σχεδιάσαμε και αναπτύξαμε αλγόριθμους κατάτμησης ήπατος καθώς και ένα ολοκληρωμένο σύστημα προεγχειρητικού σχεδιασμού και διεγχειρητικής καθοδήγησης προσανατολισμένο στη φιλοσοφία των χειρουργών ήπατος. Το σύστημα αυτό ονομάζεται “PRe-Operative Mapping and Evaluation of Tumors for Hepatic surgery and EnhancedIntra-operative Assistance” (PROMETHEIA®). Η ανάπτυξη και η αξιολόγηση του λογισμικού μας έγινε σε περιβάλλον MATLAB® (The MathWorks, Inc., Natick,Massachusetts, U.S.A) σε έναν laptop υπολογιστή τεχνολογίας 2010 προσανατολισμένο για home use (Intel® CoreTMDuo, 2.2 GHz, NVIDIA® Graphics,4GB Memory, Microsoft Windows® 7 64bits).Το PROMETHEIA χρησιμοποιήθηκε για την κατάτμηση των ανατομικών και των παθολογικών δομών, για τον προεγχειρητικό σχεδιασμό των ηπατεκτομών και για τη διεγχειρητική καθοδήγηση. Αναπτύξαμε εξειδικευμένα εργαλεία και αλγόριθμους που επιτρέπουν υβριδική ημιαυτόματη κατάτμηση αλλά και υβριδική διαδραστική κατάτμηση. Επίσης δημιουργήσαμε ειδικά εργαλεία για την περιεγχειρητική εκτίμηση κινδύνου. Αξιολογήσαμε σε προοπτικές κλινικές μελέτες τη δυνατότητα πραγματοποίησης επεμβάσεων χειρουργικής ογκολογίας ήπατος υποβοηθούμενης από υπολογιστές μέσω του PROMETHEIA. Η εφαρμογή επιτρέπει πλήρη και ολοκληρωμένο προεγχειρητικό σχεδιασμό που περιλαμβάνει, κατάτμηση όλων των δομών ενδιαφέροντος, ογκομέτρηση, εικονική ηπατεκτομή και εκτίμηση κινδύνου, καθώς και την πλήρη χρήση της στη χειρουργική αίθουσα για διεγχειρητική καθοδήγηση και εκτίμηση κινδύνου, με δυνατότητα προσθήκης νέων δεδομένων και εύκολη επαναξιολόγηση του χειρουργικού σχεδιασμού. Οι αλγόριθμοι κατάτμησης μπορούν να εφαρμοστούν από χειρουργούς στην καθημερινή κλινική πράξη, με ευκολία και ταχύτητα αφού η παραμετροποίησή τους είναι απλή και η χρήση τους καθοδηγούμενη, ενώ προσφέρουν επαναληψιμότητα και αξιοπιστία. Στις μελέτες μας η χειρουργική ανάλυση στο PROMETHEIA πραγματοποιήθηκε αποτελεσματικά σε όλες τις περιπτώσεις από ειδικούς χειρουργούς, σε χρόνο που επιτρέπει τη χρήση της στην καθ’ ημέρα κλινική πράξη, με αξιόπιστα αποτελέσματα ογκομέτρησης και τοπογραφικές εκτιμήσεις και επομένως ασφαλή χειρουργικό σχεδιασμό, περιεγχειρητική εκτίμηση κινδύνου και διεγχειρητική καθοδήγηση. Οι ιατροί ακτινοδιαγνώστες είναι απαραίτητο να συνεργάζονται με τους χειρουργούς ώστε να παρέχουν τις γνώσεις τους και την εμπειρίας στην ανάλυση των απεικονιστικών μελετών.Το σύστημά μας έρχεται να γεφυρώσει το κενό που υπάρχει μεταξύ της υπερβολικά λεπτομερούς χειρουργικής ανάλυσης σε υπολογιστή από εξειδικευμένο προσωπικό, ακριβό λογισμικό και ειδικό υλικό, και από τη άλλη των πολυάσχολων χειρουργών ήπατος με περιορισμένες γνώσεις τεχνικών επεξεργασίας ιατρικών εικόνων που επιζητούν γρήγορα, αξιόπιστα και οικονομικά αποτελέσματα ενώ διαθέτουν επαρκή εμπειρία για να τα αξιολογήσουν κατάλληλα. Μέσω της μελέτης μας μπορέσαμε να αναδείξουμε τεχνικές και εργαλεία που είναι χρήσιμα για την επαρκή κατάτμηση την ιατρικών εικόνων σε επεμβάσεις που αφορούν το ήπαρ. Φαίνεται λοιπόν ότι αρκούν λίγα εργαλεία για μια ογκομέτρηση αλλά χρειάζονται πιο εξειδικευμένα εργαλεία για μια πλήρη περιεγχειρητική ανάλυση κινδύνου. Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της διατριβής συμβάλει στην προαγωγή του προεγχειρητικού σχεδιασμού στη χειρουργική ογκολογία ήπατος στην καθημερινή κλινική πράξη με σκοπό την ταχύτερη λήψη αποφάσεων, τη συντομότερη διαχείριση των ασθενών με χαμηλό κόστος, την ασφαλέστερη και αποτελεσματικότερη διενέργεια ηπατεκτομών με τελική συνεισφορά στη βελτιστοποίηση της αντιμετώπισης των όγκων στο ήπαρ και άρα την προσπάθεια ίασης των ασθενών. Συμπερασματικά μπορούμε να πούμε ότι η εφαρμογή μας αποδεικνύεται ακριβής και αξιόπιστη κατά τον προεγχειρητικό σχεδιασμό επεμβάσεων χειρουργικής ογκολογίας ήπατος ενώ ενισχύει αποτελεσματικά την αντίληψη και καθοδήγηση από ιατρικές εικόνες των επεμβάσεων διεγχειρητικά. Παρόλα αυτά,τα αποτελέσματα του σχεδιασμού πρέπει πάντα να αξιολογούνται με προσοχή από εξειδικευμένους χειρουργούς ήπατος.